JP5858427B2 - バッテリ走行車両の充電システム - Google Patents

Description

本発明はバッテリ走行車両の充電システムに関し、特に電気自動車の急速充電に適用して有用なものである。

電気自動車（Electric Vehicle;ＥＶ）の普及のため、社会インフラとして充電設備の拡充が求められている。ところが、従来の急速充電器は、大きさや重量を制限しない代わりに短時間で充電を完了させる設計となり、当然のことながら、設置コストの負担は大きくなる。

これは、オフボード型（据え置き型）の充電器に内在する課題であり、社会インフラとしての効果的な設置場所や設置台数の検討が極めて重要となる。

一方、充電器にはオンボード型（搭載型）のものもあり、普通充電の充電器がこれに相当する。近年では、プラグインハイブリッド車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle; ＰＨＥＶ）を含めた小型の電気自動車の充電方式として十分に認知された一般住宅向けとしての充電方式となっている。しかしながら、オンボード型の充電器では、小型・軽量化による必要最小限の仕様となり、バッテリ容量によっては満充電までに半日かかる場合もある。

また、オフボード型にせよオンボード型にせよ、充電器は主に力率改善のためのＰＦＣ（Power Factor Correction）回路と充電制御のためのＤＣ／ＤＣコンバータを有している。特に充電器の容量を増すと、ＰＦＣ回路で用いられるリアクトルの重量を無視できなくなり、コンデンサ等も含めオンボード型とするには限界がある。

なお、電気自動車に対する急速充電を開示する公知文献として、例えば特許文献１や特許文献２が存在する。

特開２０００―１５２４０８号公報 特開平５―２０７６６８号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、車両の走行のために搭載ないし具備している駆動システムを利用することによりオンボード型であっても急速充電を実現し得るバッテリ走行車両の充電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
２台の電動機を有し、バッテリの電力をインバータで交流電力に変換して電動機を回転することにより走行するバッテリ走行車両の充電システムであって、
２個の端子が一方の電動機のいずれか２個のコイルに独立して接続されるとともに、残りの端子が他方の電動機のいずれか１個のコイルに接続されている三相コネクタと、
前記三相コネクタに接続されることにより前記各コイルを介して、コンバータとして機能させる前記インバータに電力を供給して前記バッテリを充電する三相電源とを有することを特徴とするバッテリ走行車両の充電システムにある。

本発明の第２の態様は、
少なくとも３台の電動機を有し、バッテリの電力をインバータで交流電力に変換して電動機を回転することにより走行するバッテリ走行車両の充電システムであって、
各端子がいずれかの電動機のコイルの中性点に接続されている三相コネクタと、
前記三相コネクタに接続されることにより前記各コイルを介して、コンバータとして機能させる前記インバータに電力を供給して前記バッテリを充電する三相電源とを有することを特徴とするバッテリ走行車両の充電システムにある。

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載するバッテリ走行車両の充電システムにおいて、
前記三相電源は、柱上変圧器であることを特徴とするバッテリ走行車両の充電システムにある。

本発明の第４の態様は、
第１または第２の態様に記載するバッテリ走行車両の充電システムにおいて、
前記三相電源の代わりに単相電源を用い、前記三相コネクタのうちの２個の端子に単相交流の電圧を印加するように構成したことを特徴とするバッテリ走行車両の充電システムにある。

本発明によれば、車載の電動機のコイルをリアクトルとして利用し、バッテリの直流電力を電動機を駆動するための交流電力に変換するインバータを、整流用のコンバータとして利用することができるので、従来技術におけるオフボード型の急速充電器に頼らず、オフボード型の急速充電器を用いて行っていたのと同様の、所定の急速充電を実現することができる。

この結果、特別な据え付けスペースを必要とせず、簡便で安価な急速充電システムを構築することができ、電気自動車の普及に大きく貢献し得る。

特に、三相電源として柱上変圧器等を直接利用することができるので、柱上変圧器等の配電用の変圧器を当該急速充電システムのインフラの中に組み込むことで、急速充電システムのインフラを飛躍的に充実させることができる。

本発明の充電システムを搭載した電気自動車を概念的に示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係るバッテリ走行車両の充電システムを示す回路図である。 図２に示す充電システムにおける充電用の三相交流電圧の波形を示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態に係るバッテリ走行車両の充電システムのコンバータのスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチングパルスの波形を示す波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係るバッテリ走行車両の充電システムを示す回路図である。 単相電源または三相電源と車両側の三相コネクタとを接続するための接続用の充電コードを示す図で、（ａ）が単相充電用、（ｂ）が三相充電用である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の充電システムを搭載した電気自動車を概念的に示す説明図である。同図に示すように、車両１には、電動機２、インバータ３およびバッテリ４等の駆動システムが搭載してあり、バッテリ４から供給される直流電力をインバータ３で交流電力に変換して電動機２を駆動させ、車両１を走行させている。一方、バッテリ４の充電時には、電動機２のコイルをリアクトルとして利用し、インバータ３をＡＣ／ＤＣコンバータとして機能させることにより、柱上変圧器等の三相電源５を直接、電動機２のコイルに接続して大電流を供給することによりの急速充電を行うようになっている。ここで、電動機２を回転させることなくそのコイルをリアクトルとして利用するためには、少なくとも２台の電動機が必要になる。電動機２を回転させないためには、３本のコイルに三相交流を印加することにより形成される回転磁界の形成を阻害する必要があるからである。

２台の電動機２を有する車両１としては２ホイールモータ駆動方式の電気自動車が、４台の電動機２を有する車両１としては４ホイールモータ駆動方式の電気自動車が存在する。また、電動機の他に車両１の駆動システムに電力を供給するための発電機が搭載されたものも存在するが、この場合には、電動機と発電機との合計台数、すなわち電動機と発電機とを合わせた台数として考える。電動機も発電機も原理的な構造は同じであり、各コイルをリアクトルとして利用し得るからである。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係るバッテリ走行車両の充電システムを示す回路図である。本形態は、２ホイールモータ駆動方式の電気自動車に適用する充電システムである。

図２に示すように、本形態は、走行駆動用として電動機２Ａ，２Ｂの２台を有する２ホイールモータ駆動方式の電気自動車の充電システムである。当該電気自動車の車体Ｉには、電動機２Ａ，２Ｂの他に、駆動システムとして電動機２Ａ，２Ｂを個別に駆動制御する２台のインバータ３Ａ，３Ｂと、直流電源であるバッテリ４とが搭載されている。また、コンデンサＣ０は平滑用としてバッテリ４とインバータ３Ａ，３Ｂとの間に接続されている車載部品である。

ここで、電動機２Ａは、三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するコイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を有している。また、電動機２Ｂは、三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するコイルＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３を有している。電動機２Ａ，２Ｂは電動機として機能させるとき、すなわち車両１（図１参照；以下同じ）を走行させる駆動源として機能させるときには、端子（Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３）、（Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３）同士が一体的に接続されてそれぞれスター結線の中性点を構成している。

一方、本形態の充電システムの構成要素として機能させる場合には、端子（Ｔ１１〜Ｔ１３）、（Ｔ２１〜Ｔ２３）での各コイル（Ｌ１１〜Ｌ１３）、（Ｌ２１〜Ｌ２３）の接続を解除し独立させている。かかる状態で何れか二本と一本を選択し、三相電源５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に三相コネクタＣを介して接続する。本形態では、コイルＬ１１をＵ相に、コイルＬ１２をＶ相にそれぞれ接続し、コイルＬ２１をＷ相に接続している。かくして、三相電源５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に接続される端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷを有する三相コネクタＣは、その２個の端子ＴＵ，ＴＶが一方の電動機２Ａのいずれか２個のコイルＬ１１，Ｌ１２に独立して接続されるとともに、残りの端子ＴＷが他方の電動機２Ｂのいずれか１個のコイルＬ２１に接続される。かくして電動機２Ａ，２Ｂで回転磁界が形成されることはなく、コイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１をリアクトルとしてのみ利用することができる。ここで、三相コネクタＣも車載部品であり、車体Ｉに外部に臨んで配設されている。なお、本形態の場合、コイルＬ１３，Ｌ２２，Ｌ２３は電気的に未接続の状態となっている。

インバータ３Ａは三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するスイッチ素子（ＳＷ１１，ＳＷ４１）、（ＳＷ２１，ＳＷ５１）、（ＳＷ３１，ＳＷ６１）を有している。同様に、インバータ３Ｂは三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するスイッチ素子（ＳＷ１２，ＳＷ４２）、（ＳＷ２２，ＳＷ５２）、（ＳＷ３２，ＳＷ６２）を有している。各インバータ３Ａ，３Ｂにおいて各スイッチ素子ＳＷ１１〜ＳＷ６１および各スイッチ素子ＳＷ１２〜ＳＷ６２のＯＮ／ＯＦＦを適宜制御することにより、電動機２Ａ，２Ｂを駆動するとき、すなわち車両１を走行させるときには、ＤＣ／ＡＣコンバータとして機能させる。

一方、本形態の充電システムの構成要素として機能させる場合には、三相電源５の交流電力を直流に変換してバッテリ４に直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータとして機能させる。具体的には、図２に示す結線状態においてスイッチ素子（ＳＷ１１〜ＳＷ６１）、（ＳＷ１２〜ＳＷ６２）のＯＮ／ＯＦＦを以下のように制御する。

図３は三相電源５が出力する充電用の三相交流電圧の波形を示す波形図、図４はインバータ３Ａ，３Ｂをコンバータ動作させる場合のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチングパルスの波形を示す波形図である。図３に示すように、三相電源５の電圧は図中に実線で示すＵ相電圧、点線で示すＶ相電圧、一点鎖線で示すＷ相電圧からなる。Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧はそれぞれ１２０度の位相差を有している。そこで、スイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ１２，ＳＷ４１，ＳＷ５１，ＳＷ４２を図４（ａ）〜（ｆ）に示すタイミングでＯＮ／ＯＦＦ制御することによりリアクトルとして機能するコイルＬ１１，Ｌ１２，Ｌ２１を介して各相電圧に比例したＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流を流すことができる。

さらに詳言すると、インバータ３Ａ，３Ｂの上アームの構成要素であるスイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ１２をＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応させ、Ｕ相電圧が正の期間、Ｖ相電圧が正の期間、Ｗ相電圧が正の期間にスイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ１２をそれぞれＯＮ／ＯＦＦ制御する。また、インバータ３Ａ，３Ｂの下アームの構成要素であるスイッチ素子ＳＷ４１，ＳＷ５１，ＳＷ４２についてもＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応させてＯＮ／ＯＦＦ制御する。ここで、前記各期間においてスイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ１２はＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流がそれぞれ各相電圧と比例するよう所定の高周波でＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す。同様に、スイッチ素子ＳＷ４１，ＳＷ５１，ＳＷ４２についても所定の高周波でＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す。ただし、Ｕ相のスイッチ素子ＳＷ１１とスイッチ素子ＳＷ４１とは一方がＯＮ状態のとき他方はＯＦＦ状態となる。かかる相補的な関係は、Ｖ相のスイッチ素子ＳＷ２１とスイッチ素子ＳＷ５１との関係、Ｗ相のスイッチ素子ＳＷ１２とスイッチ素子ＳＷ４２との関係においても同様に成立している。

この結果、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相電流に基づきＡＣ／ＤＣコンバータとして機能するインバータ３Ａ，３Ｂを介して直流電流をバッテリ４に供給し、このバッテリ４の充電を行うことができる。このとき、スイッチ素子ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ１２，ＳＷ４１，ＳＷ５１，ＳＷ４２を用いて、相補的ＰＷＭ制御によりＯＮ／ＯＦＦ動作中のデューティ比を変化させることで充電電流の大きさを適宜制御する。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係るバッテリ走行車両の充電システムを示す回路図である。本形態は、４ホイールモータ駆動方式の電気自動車に適用する充電システムである。なお、図５において図２と同一部分には同一番号を付し重複する説明は省略する。

図５に示すように、本形態は、走行駆動用として電動機２Ａ，２Ｂの他に、さらに２台の電動機２Ｃ，２Ｄを有する４ホイールモータ駆動方式の電気自動車の充電システムである。当該電気自動車の車体IIには、電動機２Ａ〜２Ｄの他に、駆動システムとして４台のインバータ３Ａ〜３Ｄと、直流電源であるバッテリ４とが搭載されている。

ここで、各電動機２Ａ〜２Ｄは、三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するコイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）、（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３）を有するとともに、各コイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）〜（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３）の中性点に端子ＮＵ，ＮＶ，ＮＷ，Ｎが接続されている。

また、本形態では、電動機２Ａ，２Ｂに対応して設けられたインバータ３Ａ，３Ｂの他にインバータ３Ｃ，３Ｄを有する。インバータ３Ｃは三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するスイッチ素子（ＳＷ１３，ＳＷ４３）、（ＳＷ２３，ＳＷ５３）、（ＳＷ３３，ＳＷ６３）を有している。同様に、インバータ３Ｄは三相のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応するスイッチ素子（ＳＷ１４，ＳＷ４４）、（ＳＷ２４，ＳＷ５４）、（ＳＷ３４，ＳＷ６４）を有している。インバータ３Ａ，３Ｂと同様に、各インバータ３Ｃ，３Ｄにおいて各スイッチ素子ＳＷ１３〜ＳＷ６３および各スイッチ素子ＳＷ１４〜ＳＷ６４のＯＮ／ＯＦＦを適宜制御することにより、電動機２Ａ，２Ｂとともに電動機２Ｃ，２Ｄを駆動するとき、すなわち車両１を走行させるときには、ＤＣ／ＡＣコンバータとして機能させる。

一方、本形態の充電システムの構成要素として機能させる場合には、三相電源５の交流電力を直流に変換してバッテリ４に直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータとして機能させる。

さらに詳言すると、本形態に係る充電システムでは、電動機２Ａ，２Ｂ，２Ｃのコイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）を端子ＮＵ，ＮＶ，ＮＷを介して三相コネクタＣの端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷにそれぞれ接続する。この結果、三相電源５のＵ，Ｖ，Ｗ相電圧が、端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷおよび端子ＮＵ，ＮＶ，ＮＷを介して各コイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）の各中性点に印加される。電動機２Ｄのコイル（Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ４３）は電気的に未接続の状態にしておく。

かかる状態でインバータ３Ａ〜３Ｃの上アームの構成要素であるスイッチ素子（ＳＷ１１〜ＳＷ３１）、（ＳＷ１２〜ＳＷ３２）、（ＳＷ１３〜ＳＷ３３）および下アームの構成要素であるスイッチ素子（ＳＷ４１〜ＳＷ６１）、（ＳＷ４２〜ＳＷ６２）、（ＳＷ４３〜ＳＷ６３）のＯＮ／ＯＦＦを次のように制御する。本形態では、電動機２Ａ，２Ｂ，２Ｃの各コイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）をＵ相，Ｖ相，Ｗ相のリアクトルとして利用するので、スイッチ素子（ＳＷ１１〜ＳＷ３１）、（ＳＷ１２〜ＳＷ３２）、（ＳＷ１３〜ＳＷ３３）およびスイッチ素子（ＳＷ４１〜ＳＷ６１）、（ＳＷ４２〜ＳＷ６２）、（ＳＷ４３〜ＳＷ６３）は３個が一体となってＯＮ／ＯＦＦ制御される。具体的には、スイッチ素子（ＳＷ１１〜ＳＷ３１）が図４（ａ）に示すスイッチングパルスで一体的にＯＮ／ＯＦＦ制御され、以下同様に、スイッチ素子（ＳＷ１２〜ＳＷ３２）が図４（ｂ）に示すスイッチングパルスで、スイッチ素子（ＳＷ１３〜ＳＷ３３）が図４（ｃ）に示すスイッチングパルスで、スイッチ素子（ＳＷ４１〜ＳＷ６１）が図４（ｄ）に示すスイッチングパルスで、スイッチ素子（ＳＷ４２〜ＳＷ６２）が図４（ｅ）に示すスイッチングパルスで、スイッチ素子（ＳＷ４３〜ＳＷ６３）が図４（ｆ）に示すスイッチングパルスでそれぞれ一体的にＯＮ／ＯＦＦ制御される。

本形態では、電動機２Ａ〜２Ｃの各コイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）を、そのまま、すなわち図２に示す第１の実施の形態とは異なり、中性点を分割することなく充電モードでも同様に使用し得るので、充電モードで使用するための中性点分割状態と、走行モードで使用するための中性点有効状態との区別が不要になる。

また、各コイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）は一括して並列接続した形態となるので、リアクタンスは低下するが、許容電流、すなわち許容充電電流は、図２に示す第１の実施の形態の３倍となり、その分大きな充電電流を流すことができ、充電時間をさらに短縮できる。

本形態においては、充電モードにおいて各コイル（Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３）、（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）、（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）毎に供給される三相電流は同相であるので、各電動機２Ａ〜２Ｃで回転磁界が形成されることはなく、したがって各電動機２Ａ〜２Ｃが回転することもない。

なお、上記実施の形態では、２台の電動機を有する２ホイールモータ駆動方式の電気自動車、および４台の電動機を有する４ホイールモータ駆動方式の電気自動車を例に採って説明したが、これらに限るものではない。２台の電動機には、例えば１台の電動機と１台の発電機との組み合わせも含まれ、少なくとも３台の電動機には、例えば２台の電動機と１台の発電機の組み合わせも含まれる。要するに、前者の場合には、１台の電動機または発電機の２本のコイル、他の発電機または電動機の１本のコイルの計３本のコイルをリアクトルとして利用できれば良く、後者の場合は、何れか３台の電動機または発電機の三相の各コイルをそれぞれ中性点を含むリアクトルとして利用できれば良い。

さらに、上記実施の形態は充電電源として三相電源５を使用する場合であるが、家庭用の単相交流の電源を使用することもできる。この場合には、図６（ａ）に示すような充電コード６と単相充電用アダプタ７を用いれば良い。単相充電用アダプタ７は車体I,IIに装着された単相コネクタであり、単相の普通充電用コネクタ８を挿入して接続し得る構造となっている。ここで、単相充電用アダプタ７から引き出された２本の接続線が三相コネクタＣの何れか２個の端子（図では端子ＴＵ，ＴＶ）に接続されている。三相コネクタＣの残りの一つ（図では端子ＴＷ）は未接続の状態となっている。

一方、一端部に普通充電用コネクタ８を接続した充電コード６の他端部には２本の導電部である接触片９Ａ，９Ｂを有する単相プラグ９が接続されている。単相プラグ９は接触片９Ａ，９Ｂを単相電源のコンセント（図示せず）に挿入することにより単相電源に接続される。かくして単相電源のコンセントと単相充電用アダプタ７との間を充電コード６で接続することにより、端子ＴＵ，ＴＶを介して単相電力を車体I,II側に供給して単相の普通充電を行うことができる。

なお、上記実施の形態に係る三相急速充電においては、図６（ｂ）に示すように、充電コード１０の一端部に接続された三相充電コネクタ１１をコネクタＣに挿入して各端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷと三相電源５との間を接続する。

本発明は、電気自動車を製造、販売する産業分野とともに、電力を供給する産業分野において利用することができる。

Ｉ,II 車体
１ 車両
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ 電動機
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ インバータ
４ バッテリ
５ 三相電源
Ｌ１１〜Ｌ４３ コイル
Ｃ 三相コネクタ
ＴＵ，ＴＶ，ＴＷ 端子

Claims (3)

1. ２台の電動機を有し、バッテリの電力をインバータで交流電力に変換して電動機を回転することにより走行するバッテリ走行車両の充電システムであって、
   ２個の端子が一方の電動機のいずれか２個のコイルに独立して接続されるとともに、残りの端子が他方の電動機のいずれか１個のコイルに接続されている三相コネクタと、
   前記三相コネクタに接続されることにより前記各コイルを介して、コンバータとして機能させる前記インバータに電力を供給して前記バッテリを充電する三相電源とを有することを特徴とするバッテリ走行車両の充電システム。
2. 請求項１に記載するバッテリ走行車両の充電システムにおいて、
   前記三相電源は、柱上変圧器であることを特徴とするバッテリ走行車両の充電システム。
3. 請求項１に記載するバッテリ走行車両の充電システムにおいて、
   前記三相電源の代わりに単相電源を用い、前記三相コネクタのうちの２個の端子に単相交流の電圧を印加するように構成したことを特徴とするバッテリ走行車両の充電システム。
   

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